Appunti di macchine a fluido riscritti al computer

PROPULSORI AD ELICA

La prima famiglia di propulsori impiegati in aviazione è stata quella dei propulsori a elica. Tali propulsori sono caratterizzati da un motore che fornisce potenza ad un albero rotante, come per le automobili. Nel caso in esame la potenza conferita all'albero viene poi sfruttata per muovere un'elica, la quale a sua volta genera la spinta accelerando il fluido propulsivo, che è l'aria esterna. Il primo e più semplice modo per generare la potenza necessaria all'elica è stato quello di impiegare motori a pistoni. Per piccole potenze le migliori prestazioni sono fornite dai motori a combustione interna alternativi, mentre per potenze elevate motori basati sul ciclo della turbina a gas sono più convenienti. Per potenze molto basse e particolari applicazioni il motore elettrico può essere una soluzione interessante. Sono quindi disponibili in linea di principio tre tipi di motori per conferire potenza.

All'elica:

• Motoelica
• Turboelica
• Elettroelica

Concentriamoci sui turboelica; il primo aereo di linea con turboelica (turboprop) fu introdotto nel '55; aquel periodo si può far risalire la fine del dominio dei motoelica. La turbina a gas presenta infatti diverse caratteristiche vantaggiose rispetto al motore a pistoni, in particolare maggiore rapporto potenza/peso, minore ingombro frontale e quindi minore resistenza aerodinamica. Il motore che fornisce potenza all'elica è ancora un motore a combustione interna ma su basa sul ciclo della turbina a gas (Joule-Bryton) anziché sui cicli Otto e Diesel dei motoelica. La principale differenza è che compressione ed espansione sono ottenute con macchine rotative anziché alternative e la combustione avviene in modo continuo anziché ciclico. Un altro aspetto peculiare è che la spinta, oltre che dall'elica, viene fornita in parte anche dal getto del fluido espulso.

dopo essere stato usato per generare la potenza all'albero (anche se in parteminore). I principali componenti di un turboelica sono rappresentati nella seguente figura: L'elica è mossa dalla potenza fornita all'albero dal gruppo turbogas, tuttavia le dimensioni dell'elica, molto maggiori di quelle di compressore e turbina, rendono necessaria l'introduzione di un riduttore per contenere la velocità di rotazione dell'elica che altrimenti sarebbe sottoposta a sforzi centrifughi intollerabili. Per moderate velocità i turboelica consentono di avere una migliore efficienza che si esplica in un minor consumo. Il turboelica è inoltre il motore principalmente usato nel campo degli elicotteri dove prende nome di turboalbero ("turboshaft") a causa del diverso uso dell'elica: in questo caso tutta l'energia viene fornita all'elica senza usare l'energia del getto. -ESOREATTORI Con lo sviluppo dei motori a

reazione o esoreattori, è stato possibile superare i limiti della propulsione adelica, la quale diviene inapplicabile per velocità di volo prossime alla velocità di propagazione del suono.

In questo caso il fluido propulsivo è costituito principalmente da aria che fluisce dentro il motore, mentre nei motori ad elica il fluido propulsivo è costituito da aria esterna. Per una piccola parte, negli esoreattori, contribuisce al fluido propulsivo anche il combustibile stivato a bordo, che viene bruciato con l'aria. Nel motore entrano dunque una portata d'aria dall'esterno ed una portata di combustibile dal veicolo.

La portata totale di fluido, la quale ha subito un'alterazione della sua composizione chimica a causa delle reazioni di combustione, costituisce il fluido propulsivo. A seconda di come viene elaborato questo fluido e di come è condotta la combustione questi sono classificati nei seguenti modi:

In particolare, si possono

Distinguere tre principali classi di esoreattori, che sono basati su due diversi cicli termodinamici. Il primo è quello delle Tag (joule-bryton) già visto per la turboelica e costituito idealmente da una compressione adiabatica, riscaldamento isobaro (combustione) ed espansione adiabatica. Parte del lavoro di espansione viene usato per la compressione e la parte restante viene convertita in energia cinetica del getto al fine di generare la spinta. A seconda della presenza o meno di turbomacchine nelle fasi di compressione e espansione, si distinguono le due classi di esoreattori basati su questo ciclo:

• Compressione-espansione senza turbomacchine: STATOREATTORE
• Compressione-espansione con turbomacchine: TURBOREATTORE

L'ultimo ciclo da considerare è invece un ciclo intermittente in cui compressione, combustione ed espansione del fluido propulsivo si ripetono ciclicamente grazie ad un sistema di apertura e chiusura delle valvole:

PULSOREATTORE

1)STATOREATTORE

Lo statoreattore (o ramjet) è concettualmente molto semplice. In esso la compressione del fluido propulsivo avviene esclusivamente attraverso il rallentamento dell'aria che entra nella presa dinamica (presa d'aria). Per tale ragione esso non è in grado di fornire una spinta a punto fisso e ha il suo campo di impiego per 2<M<4. Per valori più elevati della velocità di volo (M>5) non è più possibile rallentare in modo efficiente il flusso fino a velocità subsoniche prima di entrare nella camera di combustione tuttavia si può ancora realizzare uno statoreattore se si riesce a far avvenire la combustione in un flusso a velocità supersonica. In tal caso si parla di Scramjet, la cui fattibilità deve ancora essere dimostrata. Si usano solamente per sperimentazione e alcune applicazioni militari.

2)TURBOREATTORE

Il turboreattore (o turbogetto) è basato sul ciclo della turbina a gas,

come lo statoreattore. La differenza sta nel fatto che la compressione viene effettuata da un compressore, mosso da una turbina, la quale sfrutta l'energia fornita al fluido propulsivo dalla combustione. All'uscita della turbina il gas è ancora ad una pressione superiore a quella ambiente e può essere accelerato in un ugello, in questo modo il fluido viene espulso ad una velocità più elevata di quella con cui entra nel motore, generando così la spinta. La versatilità, le ottime prestazioni in termini di spinta, consumo specifico, rapporto spinta/peso, hanno imposto questa famiglia di motori come la più diffusa nel campo dell'aviazione sia civile che militare. Da questa famiglia di propulsori hanno avuto origine diversi tipi di propulsori, i principali sono descritti qui di seguito: Per turbogetto semplice si intende il turboreattore base costituito da presa dinamica, compressore, turbina ed ugello. Esistono diverse configurazioni.

Infatti, per migliorare la risposta del motore alle variazioni di potenza, controllata variando la quantità di combustibile iniettata nella camera di combustione, può essere utile separare un gruppo compressore-turbina di alta pressione e un gruppo compressore-turbina di bassa pressione. In tal caso, ogni gruppo è connesso attraverso un albero, e si avranno quindi in generale uno o più alberi coassiali. Il suo tipico campo di applicazione è per voli supersonici, in quanto solo qui è più efficiente del turboelica. Nel caso dell'aviazione commerciale/civile, il turbogetto a doppio flusso è più efficiente sia del turboelica sia del turbogetto semplice. I turbogetti semplici oggi hanno spinte comprese tra 0.5 e 200 kN. Per mantenere la temperatura entro valori tollerabili delle palette della turbina, si adotta nel turbogetto una miscela aria/combustibile complessivamente "povera", cioè con eccesso d'aria.

Sussiste quindi la possibilità di usare l'aria in eccesso per effettuare una seconda combustione, iniettando ancora combustibile dopo l'espansione in turbina. La postcombustione permette di avere temporaneamente una maggiore spinta, con conseguenti possibili applicazioni militari. L'uso del postcombustore deve tuttavia essere limitato nel tempo, a causa del forte incremento del consumo specifico quando il postcombustore è acceso. Il turbogetto semplice, sebbene in grado di fornire spinta a punto fisso, risulta più efficiente del turboelica soltanto alle elevate velocità di volo subsoniche, a causa della diminuzione dell'efficienza dell'elica in queste condizioni. Per estendere il campo di impiego dei turboreattori e per migliorarne l'efficienza in tutto il campo subsonico, è stato introdotto il turboreattore a doppio flusso (turbofan) che cerca di sfruttare i vantaggi sia del turboelica che del turbogetto. In sostanza,

parte dell'energia disponibile a valle della turbina che muove il compressore, anziché essere usata unicamente per accelerare la corrente principale nell'ugello, viene sfruttata per muovere un'elica intubata (detta "fan", cioè ventola) che comprime un'ulteriore portata di aria, successivamente accelerata in ugello. In questo modo si ha una minore accelerazione di una maggiore portata d'aria rispetto al turbogetto semplice, cosa che come si vedrà implica una riduzione dei consumi. Inoltre, il fatto che l'elica sia "intubata" permette di rallentare il flusso che la investe, eliminando così la riduzione di prestazioni dell'elica quando questa è investita da correnti con velocità superiore a M=0.6. Si hanno quindi due flussi d'aria: il principale che passa attraverso compressore, camera di combustione e turbina e il secondario che invece, dopo essere stato compresso dal fan viene poi

flussi associati. Il turbofan è il propulsore più diffuso negli aerei di trasporti civili, grazie al basso consumo specifico e al buon funzionamento a velocità lievemente subsoniche. Un importantissimo parametro del turbofan è il rapporto di by-pass (BPR), e cioè il rapporto tra le portate d'aria secondaria e principale. Sulla base del BPR si distinguono due tipologie di turboreattori a doppio flusso: quelli a basso rapporto di by-pass, e quelli ad alto rapporto di by-pass. I primi sono caratterizzati da una portata d'aria del flusso secondario all'incirca pari, o inferiore a quella del flusso primario. I turboreattori a doppio flusso con BPR pari a 5 o superiore sono classificati come turbofan ad alto flussi separati.BPR.DEFINIZIONE E CALCOLO DELLE PRESTAZIONI DEI PROPULSORI Nello studio di qualunque macchina, e in particolare nei sistemi di propulsione, è necessario identificare e valutare le prestazioni dei propulsori. Il rapporto di bypass (BPR) è uno dei parametri chiave utilizzati per misurare l'efficienza di un propulsore. Il BPR è definito come il rapporto tra la massa d'aria che passa attraverso il flusso di bypass e la massa d'aria che passa attraverso il flusso di combustione principale. In altre parole, rappresenta la quantità di aria che viene "bypassata" intorno alla sezione di combustione principale. Il calcolo del BPR può essere effettuato utilizzando i dati di flusso d'aria forniti dal propulsore. Questi dati includono la portata d'aria totale e la portata d'aria attraverso il flusso di bypass e il flusso di combustione principale. Il BPR viene quindi calcolato dividendo la portata d'aria attraverso il flusso di bypass per la portata d'aria attraverso il flusso di combustione principale. Il BPR è un indicatore importante delle prestazioni dei propulsori. Un alto valore di BPR indica che una grande quantità di aria viene bypassata intorno alla sezione di combustione principale, il che può migliorare l'efficienza del propulsore. D'altra parte, un basso valore di BPR indica che una piccola quantità di aria viene bypassata, il che può ridurre l'efficienza del propulsore. In conclusione, il BPR è un parametro fondamentale per valutare le prestazioni dei propulsori. Il suo calcolo fornisce informazioni cruciali sull'efficienza del sistema di propulsione e può essere utilizzato per ottimizzare il design e migliorare le prestazioni complessive.